Single-camera pose estimation for quantitative assessment of balance deficits: a proof-of-concept using graded acute alcohol intake

التوازن هو ذلك التفاوض الهادئ والمستمر بين الدماغ والجسم. فهو يعتمد على حلقة مستمرة حيث ترسل العين، والأذن الداخلية، والمستشعرات في العضلات والمفاصل إشارات إلى الدماغ، الذي يقوم بدوره بإجراء تعديلات طفيفة وغير مرئية للحفاظ على استقامتنا. وعندما تضطرب هذه الحلقة، كما هو الحال في حالات مثل السكتة الدماغية أو مرض باركنسون، فإن القدرة على الوقوف بثبات أو المشي بأمان قد تتلاشى. لعقود من الزمن، اعتمد الأطباء على قائمة مراجعة قياسية تسمى "مقياس بيرغ للتوازن" لقياس هذه القدرة. يراقب الممارس السريري المريض وهو يؤدي مجموعة من المهام، مثل الوقوف على قدم واحدة أو الالتفاف حول نفسه، ويمنحه درجة من صفر إلى أربعة بناءً على مدى إتمام المهمة. ورغم أن هذه الطريقة مستخدمة على نطاق واسع، إلا أنها تعاني من خلل جوهري: فهي أداة فجة؛ إذ تسجل حكماً نهائياً بالنجاح أو الفشل، لكنها لا تستطيع رؤية الارتعاشات الطفيفة، أو التمايلات البسيطة، أو التعديلات الدقيقة التي تحدث قبل أن يسقط الشخص فعلياً. والأسوأ من ذلك، أنه بالنسبة للأشخاص الذين يتمتعون باستقرار جيد بالفعل، يصل المقياس إلى سقف لا يمكن تجاوزه. فإذا استطاع المريض الوقوف بأمان لمدة ثلاثين ثانية، فإنه يحصل على أعلى درجة ممكنة، حتى لو كان توازنه أسوأ قليلاً مما كان عليه بالأمس. وهذا يجعل من المستحيل تقريباً تتبع التحسينات أو التراجعات الصغيرة لدى الأشخاص الذين يعملون بشكل جيد، وهو بالضبط الوقت الذي تكون فيه القياسات الدقيقة في أمس الحاجة إليها في مرحلة إعادة التأهيل.

ولحل هذه المشكلة، سعى باحثون من جامعة ETH Zurich ومستشفى كانتون بادن إلى معرفة ما إذا كان بإمكان كاميرا فيديو بسيطة اكتشاف التغيرات في التوازن التي تغفل عنها العين البشرية. كانوا بحاجة إلى طريقة لإنشاء تغيير معروف ومنضبط في التوازن يمكن قياسه بدقة. فاختاروا استخدام الكحول. ومن خلال جعل متطوعين أصحاء يشربون كميات محددة من الكحول، استطاع الباحثون إحداث ضعف مؤقت ومتدرج في المخيخ والجهاز الدهليزي — وهي الأجزاء المسؤولة عن التحكم في التوازن في الدماغ. سمح لهم ذلك باختبار طريقة رقمية جديدة مقابل المقياس السريري المعياري تحت ظروف يكون فيها مستوى الضعف "الحقيقي" معروفاً. سجل الفريق أربعة وعشرين بالغاً صحيحاً وهم يؤدون ست مهام وقوف مختلفة، تتراوح من الوقوف على قدمين إلى الوقوف على قدم واحدة مع إغلاق العينين. قاموا بذلك عند ثلاثة مستويات مختلفة من الكحول في الدم: صفر، وجرعة منخفضة قدرها 0.6 في الألف، وجرعة عالية قدرها 1.0 في الألف. تم تصوير كل جلسة بكاميرا عادية واحدة من نوع المستهلك، من النوع الموجود في الهواتف الذكية، موضوعة أمام المشارك.

استخدم الباحثون بعد ذلك برامج حاسوبية متقدمة لتحليل الفيديو. وبدلاً من مطالبة إنسان بتخمين مدى استقرار الشخص، تتبع البرنامج حركة جسم الشخص إطاراً تلو الآخر، منشئاً هيكلاً رقمياً لوضعيته. ومن هذا الفيديو، حسب الكمبيوتر 167 قياساً مختلفاً للحركة، مثل سرعة تمايل الجسم من جانب إلى آخر، ومدى تحرك الجذع، وما إذا كان الشخص قد اتخذ خطوة لاستعادة توازنه. اختار الفريق القياسات الأكثر حساسية ودمجها في درجة رقمية واحدة. ثم قارنوا هذه الدرجة الرقمية بالدرجة التي منحها مقيم بشري مدرب يشاهد نفس الفيديو، باستخدام نسخة مبسطة من مقياس التوازن المعياري. منح المقيم البشري درجة من صفر إلى أربعة بناءً على المدة التي استطاع فيها الشخص الحفاظ على الوضعية دون السقوط أو الحاجة إلى مساعدة.

أظهرت النتائج فرقاً واضحاً فيما يمكن للطريقتين رصده. فقد منح المقيم البشري، باستخدام المقياس المعياري، الدرجة القصوى وهي أربعة في 77 في المئة من جميع التجارب. وهذا يعني أنه في معظم الأوقات، وحتى مع شرب المشاركين لمزيد من الكحول وتدهور توازنهم، لم يلحظ المراقب البشري أي تغيير على الإطلاق. لقد وصل المقياس إلى حده الأقصى؛ فلم يستطع التمييز بين شخص ثابت تماماً وشخص غير مستقر قليلاً ولكنه لا يزال واقفاً. في المقابل، استمرت الدرجة الرقمية المستمدة من الكاميرا الواحدة في تسجيل التراجع. كان المقياس القائم على الكمبيوتر قادراً على ترتيب مستويات تناول الكحول الثلاثة بشكل صحيح لمعظم المشاركين، محققاً متوسط دقة بلغ 86 في المئة، بينما نجح التقييم البشري في القيام بذلك بشكل صحيح في حوالي 59 في المئة من المرات فقط. كانت الدرجة الرقمية أفضل بكثير في اكتشاف الفرق بين حالة الصحو وحالة الجرعة المنخفضة، وأكثر من ذلك بين الجرعتين المنخفضة والعالية.

ولعل النتيجة الأكثر كشفاً حدثت في مجموعة المشاركين الذين حصلوا على الدرجة القصوى أربعة من المقيم البشري في كل من حالة الصحو ومستوى الكحول العالي. بالنسبة للعين البشرية، بدا هؤلاء الأشخاص دون تغيير. ومع ذلك، أظهرت الدرجة الرقمية زيادة كبيرة وثابتة في تمايل الجسم مع ارتفاع مستوى الكحول. اكتشف الكمبيوتر تدهوراً متدرجاً في التوازن غاب تماماً عن ملاحظة المراقب البشري. أثبت هذا أن الحصول على الدرجة القصوى في المقياس المعياري لا يعني أن توازن الشخص مثالي؛ بل يعني فقط أن أداءه وقع ضمن الفئة العليا للمقياس. فالطريقة الرقمية، من خلال قياس الحركة الفعلية بوحدات فيزيائية بدلاً من الحكم الذاتي، استطاعت رؤية الضعف الذي كان مخفياً خلف سقف الاختبار التقليدي.

كما بحثت الدراسة في مدى موثوقية المقيمين البشر. عندما شاهد خبيران مختلفان نفس الفيديوهات، اتفقا على الدرجة الدقيقة في 83 في المئة من المرات. ومع ذلك، كان هذا الاتفاق العالي ناتجاً في الغالب عن كونهما منحا الدرجة القصوى لنفس الأشخاص. وعندما نظر الباحثون فقط في التجارب التي لم تكن الدرجة فيها هي الدرجة القصوى، انخفض الاتفاق بين الخبيرين إلى 30 في المئة فقط. يشير هذا إلى أنه عندما يتعين على الإنسان اتخاذ قرار حقيقي بشأن حالة حدية، فإن حكمه يتفاوت بشكل كبير. أما الدرجة الرقمية، القائمة على حساب رياضي ثابت للحركة، فلم تعانِ من هذا التباين.

خلص الباحثون إلى أن كاميرا عادية واحدة يمكنها التقاط تفاصيل دقيقة للتوازن لا يستطيع التقييم السريري المعياري رصدها. كانت الدرجة الرقمية قادرة على تتبع آثار جرعة الكحول جرعة تلو الأخرى، حتى لدى الأش ludzi الذين تم تقييمهم على أنهم لا يعانون من مشا أي مشاكل في التوازن على الإطلاق. هذا لا يعني أن المراقب البشري عديم الفائدة، ولكنه يوضح أن المقياس التقليدي لديه نقطة عمياء للأشخاص الذين يعملون بشكل جيد. توفر الطريقة الرقمية وسيلة لقياس التوازن بشكل مستمر وموضوعي، دون الحاجة إلى معدات باهظة الثمن، أو علامات خاصة على الجسم، أو بيئة مختبرية. إنها تشير إلى أنه في المستقبل، يمكن لفيديو بسيط أن يوفر أداة أكثر حساسية لمراقبة التعافي أو التدهور لدى المرضى، مما يسمح برصد التغييرات التي قد تظل غير ملحوظة حتى تصبح كبيرة جداً بحيث لا يمكن تجاهلها. تثبت الدراسة أن الكاميرا ترى ما لا تراه العين، محولةً مجرد تسجيل بسيط إلى مقياس دقيق للاستقرار.